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你知道在生物学界,“求合体”有多难吗!(下)

时间:2015-10-07 22:55来源:果壳网 作者:鬼谷藏龙 阅读:

上回说到,有一群科学家为了实现“合体”的夙愿,发明了一种叫做“胚胎干细胞囊胚注射”的技术。这种技术可以随心所欲地制造出多种动物的“嵌合体”,却谜一般地无法用在包括人在内的灵长类身上。更悲催的是,就在嵌合体领域的研究者深感困惑之际,半路上还杀出一个叫做“克隆”的新技术,短短几年就抢尽风头,几乎一举宣告了“合体”之路的终结。

东山再起:“融合”不成,“黏合”出一个灵长类嵌合体

克隆技术盛极一时,绵羊“多莉”的大名一度无人不知。但历史是如此惊人地相似,克隆技术几乎精确重复了嵌合体技术走过的峥嵘岁月——它一路繁荣,却在灵长类的克隆上却走得无比命途多舛[1]

从2007年起,作为长江后浪的诱导多能干细胞(iPSC)技术强势崛起,轮到克隆技术由盛转衰,利用克隆技术编辑灵长类基因的想法也随之变成了镜花水月。也正是这时候,科学界终于决定重新审视灵长类嵌合体技术的可能性,嵌合体技术开始了它的涅槃重生。

而迈出这关键一步的人,正是研究灵长类胚胎干细胞的泰斗级人物,美籍哈萨克斯坦裔科学家沙乌科莱特·米塔利波夫(Shoukhrat Mitalipov)。

你知道在生物学界,“求合体”有多难吗!(下)沙乌科莱特·米塔利波夫。图片来源:wikipedia.org

如何才能获得灵长类的嵌合体?在无数干细胞学家的心中,这个难题仿佛是一片永远挥之不去的阴霾。无数前辈前赴后继却无功而返,到21世纪初,一般人已不敢去冒险涉足这个领域。

但米塔利波夫不是一般人。

既然直接注射灵长类胚胎干细胞不能获得嵌合体,米塔利波夫的团队尝试回归原始:直接将一只猕猴囊胚的内细胞团直接移植到另一只的囊胚腔中,这也是历史上第一只嵌合体小鼠的制作方法。

万万没想到,这两个内细胞团却并未融合到一起,而是分别形成了独立的猕猴胚胎,使代孕母猴怀上了双胞胎[2]

“合体”再次失败。

要是一般人,做到这份上也该放弃了。但米塔利波夫团队一不做二不休,决心再搏一把。凭借多年的胚胎操作经验,他们设计了一种极具创意的方法——把3个还处于四细胞期的猕猴胚胎直接黏在一起。

终于,他们成功了,几天后,三个猕猴胚胎如愿以偿地愈合到了一起。利用直接黏合胚胎这种听起来简单粗暴的方法,米塔利波夫的团队在人类历史上第一次实现了灵长类的“合体”[2]

你知道在生物学界,“求合体”有多难吗!(下)米塔利波夫为了探索灵长类嵌合体所设计的三个实验。图片来源:参考资料[2]

总结教训:“合体”失败是因为胚胎干细胞不够“幼稚”

米塔利波夫还在同一篇论文中推断了前人不能获取嵌合体猴的原因——体外培养的胚胎干细胞的“状态”有问题[2]

研究者意识到,体外培养的胚胎干细胞其实存在两种不同的“状态”(State): “幼稚态”(Nave State)和 “启动态”(Primed State)[3]

打个比方,我们的身体就像是一个社会,其中每一个体细胞都被训练得高度“专业”以适应自己的功能。而胚胎干细胞就像是还没有接受过任何专业训练的学生, 具有从事各种职业的潜能。

其中,“幼稚态”的胚胎干细胞好比是小学生,还没有任何专业倾向,因此成长为任何职业都没问题;而“启动态”的胚胎干细胞就好比是大学生,虽然也叫学生,但实际上已经有了专业分化,尽管还存在跨专业求职的可能性,但是基本都会在本专业范围内找工作。

大部分哺乳动物的发育机制比较灵活,它们的“大学生”想要换专业虽然不容易,但也不是不可能;而灵长类的发育机制则非常死板,对于“转专业”的容忍度极低,甚至还会故意排斥“计划外”的大学生。

你知道在生物学界,“求合体”有多难吗!(下)图中是一些体外培养的小鼠胚胎干细胞。黑色箭头所指的是“幼稚态”胚胎干细胞的团块,红色箭头所指为“启动态”胚胎干细胞。这两种不同状态的胚胎干细胞截然不同的形态特征。图片来源:参考资料[3]

问题的关键,正在于汤姆森等科学家所用培养灵长类胚胎干细胞的培养液,恰好会把它们诱导成“高年级的大学生”——还去了不太好找工作的专业。

米塔利波夫这一假说可谓一举重燃了全世界制造灵长类嵌合体的热情。瞬息之间,嵌合体研究原地满血复活了。

目标明确:要“合体”,先设法让胚胎干细胞“幼稚”到底

米塔利波夫的一语道破,令各路科学家誓要不择手段地把胚胎干细胞都变成像名侦探柯南一样的万年小学生。短短两年,各种号称可以将灵长类胚胎干细胞转化成“幼稚态”的培养体系如雨后春笋般迸发出来。

其中,有五大体系最为引人注目:干细胞学界一代宗师鲁道夫·詹尼士(Rudolf Jaenisch)主导开发的詹尼士体系 [4];北京大学邓宏魁团队所开发的邓宏魁体系 [5];以色列科学家雅各布·翰拿(Jacob H. Hanna)等开发的翰拿体系[6];美国“命运疗法公司”(Fate Therapeutics, Inc.)开发的弗林体系[7];美国生物化学家汉内莱·罗霍勒-贝克(Hannele Ruohola-Baker)等开发的贝克体系[8]。它们堪称灵长类胚胎干细胞学界的“五岳剑派”。

武林高手用拳脚论高下,而科学家则要用实验来分伯仲。最终决定胜负的必须是嵌合体实验,但是在数年时间内他们没有一家敢轻易尝试去直接制造嵌合体猴。

打响试探第一枪的是邓宏魁。

2014年,邓宏魁团队将他们培养的“幼稚态”猕猴诱导多能干细胞注射到了小鼠的囊胚当中。结果邓宏魁的团队在一部分发育到10.5天的小鼠胚胎当中找到了极其微量的嵌合痕迹。但再怎么微量,这也是人类历史上首次通过囊胚注射的方法获得带有灵长类细胞的嵌合体。此后,他很快又和中国最大的非人灵长类实验平台中科院昆明动物研究所宣布合作。

全力开展灵长类嵌合体的攻关任务,眼看着将要被邓宏魁拔得头筹。

干细胞“合体”的胜利:用“非主流”方法构建灵长类嵌合体

然而不久之后,事情却有了出人意料的发展。

2015年7月,当邓宏魁的研究还没有传出任何消息的时候,中科院北京动物研究所的副所长周琪和昆明灵长类转化医学研究中心的季维智、李天晴突然宣布,他们已经率先合作完成了食蟹猴嵌合体的构建工作。

你知道在生物学界,“求合体”有多难吗!(下)率先利用“幼稚态”胚胎干细胞获得灵长类嵌合体的三位科学家。自左向右:周琪,季维智,李天晴,其中李天晴的团队是大部分研究工作的直接承担者。图片来源:北京动物研究所与昆明灵长类转化医学研究中心官网

万众期待的灵长类嵌合体被制造出来了,用的体系却不是邓宏魁的——在这新一轮的“华山论剑”中,原本并不算最出众的翰拿体系[6]逆袭了。李天晴等科学家以翰拿体系为基础并加以改进,设计出了一种新的复合体系[9],利用被他们称为“类幼稚态”(Nave like State)的胚胎干细胞,完成了这项壮举。

你知道在生物学界,“求合体”有多难吗!(下)李天晴等人体外培养的食蟹猴“类幼稚态”胚胎干细胞。右图为左图中一个单独细胞团块(白色方框)的放大。图片来源:参考资料[9]

李天晴等人在制作食蟹猴嵌合体的方法上也进行了一些革新。它们摒弃了传统的囊胚注射,而是采用相对“非主流”的桑椹胚注射法。他们成功制作了14枚食蟹猴嵌合体囊胚,并很小心地把这些囊胚移植到5只代孕母猴体内。由于经过人工操作的食蟹猴胚胎存活率较低,所以他们给每只母猴都移植了两到三枚胚胎。

5只代孕母猴中,有4只都未能成功受孕,而剩下的一只,则一下子怀上了双胞胎。这可不是什么好事:食蟹猴子宫较小,怀上双胞胎的话很有可能会导致两个胎儿一齐流产,而食蟹猴又有吞噬流产幼崽的习性。经过反复权衡后,李天晴的团队决定在怀孕到100天的时候(食蟹猴正常怀孕周期大约是160天),提前将食蟹猴胎儿剖腹取出。

你知道在生物学界,“求合体”有多难吗!(下)李天晴等科学家制作食蟹猴嵌合体的流程。图片来源:参考资料[9]

经检测,这两只食蟹猴胎儿都是嵌合体,而且它们的嵌合比率都达到了较高水平,在不同的器官中,嵌合比率普遍可以达到1%到18%,有理由认为,如果让这两只嵌合体胎儿成功出生的话,它们已经可以满足相当多实验的需求。

尽管没有得到活的嵌合体猴个体略让人遗憾,但是他们的工作终于打破了灵长类“合体”的最后一道禁制,带来了新时代的曙光。

既不因畏惧后浪推前浪而深藏不露,也不因盲目崇古而固步自封,一代代人薪火相传,正是科学有别于其它思想的关键所在。加德纳,马丁爵士,汤姆森,米塔利波夫,翰拿,李天晴……无数科学家的继往开来,终得以将“合体”这样的天方夜谭最终变为现实,正是最典型的一例明证。

(编辑:Calo)

参考资料:

  1. 鬼谷藏龙,克隆人离我们还有多远?
  2. Tachibana, M., Sparman, M., Ramsey, C., Ma, H., Lee, H. S., Penedo, M. C. T., & Mitalipov, S. (2012). Generation of chimeric rhesus monkeys. Cell, 148(1), 285-295.
  3. Ying, Q. L., Wray, J., Nichols, J., Batlle-Morera, L., Doble, B., Woodgett, J., ... & Smith, A. (2008). The ground state of embryonic stem cell self-renewal. Nature, 453(7194), 519-523.
  4. Theunissen, T. W., Powell, B. E., Wang, H., Mitalipova, M., Faddah, D. A., Reddy, J., ... & Jaenisch, R. (2014). Systematic identification of culture conditions for induction and maintenance of naive human pluripotency. Cell Stem Cell, 15(4), 471-487.
  5. Fang, R., Liu, K., Zhao, Y., Li, H., Zhu, D., Du, Y., ... & Deng, H. (2014). Generation of naive induced pluripotent stem cells from rhesus monkey fibroblasts. Cell stem cell, 15(4), 488-496.
  6. Gafni, O., Weinberger, L., Mansour, A. A., Manor, Y. S., Chomsky, E., Ben-Yosef, D., ... & Hanna, J. H. (2013). Derivation of novel human ground state naive pluripotent stem cells. Nature, 504(7479), 282-286.
  7. Valamehr, B., Robinson, M., Abujarour, R., Rezner, B., Vranceanu, F., Le, T., ... & Flynn, P. (2014). Platform for induction and maintenance of transgene-free hiPSCs resembling ground state pluripotent stem cells. Stem cell reports, 2(3), 366-381.
  8. Ware, C. B., Nelson, A. M., Mecham, B., Hesson, J., Zhou, W., Jonlin, E. C., ... & Ruohola-Baker, H. (2014). Derivation of naive human embryonic stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(12), 4484-4489.
  9. Chen, Y., Niu, Y., Li, Y., Ai, Z., Kang, Y., Shi, H., ... & Li, T. (2015). Generation of Cynomolgus Monkey Chimeric Fetuses using Embryonic Stem Cells. Cell stem cell, 17(1), 116-124.

文章题图:giphy.com

(责任编辑:泉水)
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